经过处理的Eu?O?@PEI复合材料，用于长期稳定且灵活的UVC光探测器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Solution-Processed Eu 2O 3@PEI Composite for Long-Term Stable and Flexible UVC Photodetector

该研究首次将 Eu?O? 纳米颗粒应用于深紫外-C（UVC）光探测器中，通过简单溶液法合成 Eu?O? 纳米颗粒并与 PEI 形成复合薄膜。最佳比例 1:2 的器件在自供电模式下表现出高响应度（0.36 mA/W）、特定 detectivity（0.34×1011 Jones）、快速光响应（上升/衰减时间 0.46/0.57 s）及优异机械柔韧性和长期稳定性（六个月无显著性能衰减）。

　　

作者：Thi My Huyen Nguyen, Manh Hoang Tran, Luan Minh Nguyen, Dieu Linh Tran, Ngoc Hoi Nguyen, Dai Hai Nguyen

越南科学技术研究院先进技术研究所，越南胡志明市安富东区TL29街1B号，邮编700000

摘要

在这项研究中，氧化铕（Eu₂O₃）纳米颗粒首次被用作深紫外-C（UVC）光电探测器的光吸收剂。Eu₂O₃纳米颗粒通过一种简单的溶液法合成，随后与聚乙烯亚胺（PEI）结合形成复合薄膜光吸收剂。在所研究的各种配比中，Eu₂O₃:PEI = 1:2的器件在自供电条件下表现出最佳性能，包括0.36 mA/W的高响应度、0.34 × 10¹¹ Jones的特定检测灵敏度，以及0.46秒和0.57秒的快速光响应时间。值得注意的是，该器件对UVC和UVA光电流的抑制比为46，证实了其高度选择性的UVC检测能力。此外，该光电探测器还具有优异的机械柔韧性和长期稳定性，在室温下储存六个月后仍能保持稳定的性能。这些发现凸显了Eu₂O₃在实用UVC光电检测系统和柔性光电子平台中的潜力。

引言

随着高级应用中对紫外-C（UVC）光电探测器需求的增加，包括火焰检测、导弹预警与跟踪、局部放电检测、无线通信和环境监测等领域，高性能光电检测技术取得了显著进展[1]、[2]、[3]。随着实时感知在动态环境中的重要性日益提升，柔性UVC光电探测器因其可集成到可穿戴和便携式电子设备中的潜力而受到广泛关注。与刚性器件相比，柔性光电探测器具有紧凑的尺寸、轻量化的构造以及机械适应性（如可弯曲、卷曲或拉伸[4]、[5]、[6]、[7]）等优势。然而，实现高灵敏度的UVC检测同时保持对太阳光谱的强选择性（特别是区分UVC与UVA和可见光）并保持机械柔韧性是一个挑战。这种选择性对于需要准确UVC监测且不受环境紫外线干扰的实际应用至关重要[8]、[9]、[10]。因此，开发具有高响应度、强UVC与UVA抑制比以及优异机械耐久性的柔性UVC光电探测器对于下一代可穿戴和可折叠光电子产品至关重要。

最近，二维（2D）范德华材料因具有无悬挂键的层状结构而受到广泛研究，这种结构允许通过带对齐调节优化界面，并可控地从肖特基接触转变为欧姆接触，从而提高载流子收集效率同时抑制漏电流[11]。基于这一概念，溶液处理的InSe纳米薄膜在254–700纳米范围内显示出紫外线敏感性并保持光电导性[12]。Bi₂Te₃ p–n异质结利用内置电场实现自驱动光电检测，而垂直异质结构通过载流子阻挡层工程将响应范围扩展至254纳米[13]、[14]。除此之外，层状PbI₂也成为自供电深UVC光电探测器的有效材料，其中II型异质结提供了零偏压下的载流子分离能力；代表性示例包括基于PbI₂纳米片的diamond/PbI₂和SiC/PbI₂ II型异质结构，其深紫外响应可达213纳米；此外，氧化物/PbI₂异质结构（InGaO/PbI₂和In₂O₃/PbI₂）能够抑制暗电流并改善界面传输[15]、[16]、[17]、[18]。此外，使用2D层状PbI₂纳米片在透明电极上也实现了自供电操作，进一步展示了基于PbI₂的2D架构在自驱动紫外线传感中的多功能性[19]。

作为2D层状光吸收剂的替代品，氧化铕（Eu₂O₃）提供了一个稳健的宽禁带平台，适用于UVC检测，具有较大的带隙（约4.4–4.8 eV）、在深紫外区域的强吸收能力以及出色的热稳定性和化学稳定性[20]、[21]。然而，Eu₂O₃颗粒较差的成膜性能限制了其在柔性器件中的直接应用。为了解决这些问题，人们探索了基于聚合物的复合策略，以增强机械柔韧性和加工兼容性，同时保持UVC吸收效率。在这种情况下，聚乙烯亚胺（PEI）被用作聚合物基质，因为它具有化学稳定性、机械柔韧性和在UVC区域的良好光学透明度[22]、[23]。将Eu₂O₃填料掺入PEI基质中不仅实现了纳米颗粒的均匀分散，还提高了机械强度，使得所得复合材料非常适合用于柔性UVC光电探测器。

在这项工作中，我们报道了一种采用金属-半导体-金属（MSM）结构的柔性UVC光电探测器，其中活性层为沉积在柔性PET基底上的Eu₂O₃@PEI复合材料。系统优化了Eu₂O₃:PEI的比例，以确保Eu₂O₃纳米颗粒的均匀分散并降低电荷传输阻力。在测试的各种比例中，Eu₂O₃:PEI = 1:2的器件表现出最佳性能，UVC与UVA的抑制比为46，开/关光电流比为355，响应度为0.36 mA/W，特定检测灵敏度为0.34 × 10¹¹ Jones。该器件还展示了快速的光响应动态，上升和下降时间分别为0.46秒和0.57秒。此外，该器件具有优异的机械柔韧性，在90°反复弯曲后仍能保持光电流，信号强度仅有轻微下降。值得注意的是，该光电探测器还表现出显著的长期稳定性，在室温下储存六个月后仍能保持稳定的光电流响应，几乎没有退化。

Eu₂O₃粉末的制备

Eu₂O₃纳米颗粒通过一种简单且可扩展的方法合成，该方法基于金属-有机框架（MOF）路线。首先，根据我们之前报道的程序制备了基于铕的MOFs（Eu-MOFs）[24]。随后，将这些Eu-MOF材料在空气中600℃下进行热分解，有机配体通过煅烧被去除，从而形成多孔结构的结晶Eu₂O₃。为了减小颗粒尺寸，...

结果与讨论

图1(a)显示了通过MOF衍生热分解法合成的Eu₂O₃粉末的X射线衍射（XRD）图谱。特征衍射峰位于2θ = 19.901°、28.419°、32.900°、34.939°、39.041°、42.382°和47.240°，分别对应于立方Eu₂O₃的(211)、(222)、(400)、(411)、(332)、(134)和(440)晶面，使用标准JCPDS卡号43-1008进行标识。清晰的衍射峰证实了高度结晶的Eu₂O₃相的形成...

结论

总之，通过简单的溶液法合成出Eu₂O₃纳米颗粒，并通过热分解进一步处理。这些纳米颗粒随后被掺入聚合物基质中，形成Eu₂O₃@PEI薄膜。采用PET基底和旋涂工艺制备了MSM结构的柔性UV光电探测器。系统研究了不同Eu₂O₃:PEI比例对器件性能的影响，以优化254纳米UVC下的光响应...

CRediT作者贡献声明

Dieu Linh Tran：验证、方法学研究。 Luan Minh Nguyen：研究、数据分析。 Manh Hoang Tran：方法学研究、数据分析、概念构思。 Thi My Huyen Nguyen：初稿撰写、方法学研究、资金申请、数据分析、概念构思。 Dai Hai Nguyen：修订与编辑、监督、项目管理。 Ngoc Hoi Nguyen：验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

Thi My Huyen Nguyen获得了Vingroup创新基金会（VINIF）的博士后奖学金支持，项目代码为VINIF.2025.STS.21

作者声明没有利益冲突。

Thi My Huyen Nguyen是越南科学技术研究院先进技术研究所的研究员。她于2018年在胡志明市技术大学获得化学工程硕士学位，2022年在韩国加登大学获得纳米科学与技术博士学位。她的主要研究兴趣包括半导体、铁电和钙钛矿材料及其在光电探测器、无机-有机太阳能电池中的应用...